JP4883368B2 - プラズマエッチング用単結晶シリコン電極板 - Google Patents

Description

この発明は、長時間プラズマエッチングを行っても貫通細孔の消耗が少なく、従って長期間均一なエッチングを行うことの出来るプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板に関するものである。

一般に、半導体集積回路を製造する際に、シリコンウエハ上に形成された層間絶縁膜をエッチングする必要があるが、この層間絶縁膜付きシリコンウエハ（以下、ウエハと呼ぶ）をエッチングするためにプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板が使用されている。そのプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板は、図４の一部断面概略説明図に示されるように、単結晶シリコン基板１１の厚さ方向に平行に貫通細孔５が設けられた構造を有している。このプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板９は真空容器（図示せず）内のほぼ中央に固定し、一方、架台６の上にウエハ４を載置し、エッチングガス７を貫通細孔５を通してウエハ４に向って流しながら高周波電圧を印加することにより単結晶シリコン電極基板１とウエハ４の間にプラズマ８を発生させ、このプラズマ８がウエハ４に作用させてウエハ４の表面をエッチングするようになっている。

従来のプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板９は、引き上げられた単結晶シリコンインゴットの長さ方向に直角に一定の厚さになるように輪切りにして円板状の単結晶シリコン基板１１を作製し、この円板状の単結晶シリコン基板１１の厚さ方向に平行に貫通細孔５を穿孔することにより作製している。前記引き上げられた単結晶シリコンインゴットは結晶方位の＜１００＞方向が単結晶シリコンインゴットの引き上げ方向に平行に揃っているので、従来のプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板９は板厚方向に平行に結晶方位の＜１００＞方向が揃っている。

かかる従来のプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板９を用いてウエハ４のプラズマエッチング操作を長時間行うと、プラズマエッチング用単結晶シリコン電極板９も同時にエッチングされ、単結晶シリコン基板１１の厚さ方向に平行に設けられている貫通細孔５は、一部断面説明図である図５に示されるように、プラズマに接する面の貫通細孔５が下広がりになるように拡大消耗し、エッチングガス７の流れが変化するためにプラズマエッチングを行って間もないエッチング初期とプラズマエッチングを行って長時間経過した後とではウエハ４のエッチングレートが変化するようになる。さらに、その消耗の程度もプラズマの濃度差によって差が生じ、プラズマ濃度の最も高い中心部に位置する貫通細孔は周辺部に位置する貫通細孔に比べて消耗が激しく、そのためにウエハ４の表面のエッチングレートが中心部と周辺部とで不均一になる。この現象は、長時間プラズマエッチングを行うほど顕著になり、特に、近年、プラズマ８の密度を均一に保持しウエハ４のエッチングレートを均一に保つことが要求される場合には、一枚のプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板９を使用する時間が極めて短く限定されており、プラズマエッチング用単結晶シリコン電極板９の消耗量が少ないにもかかわらず早期に交換しなければならない。そして交換したプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板９はスクラップとなるために無駄な使い方がなされている。

かかる課題を解決するために一例として、図２の断面図に示されるように、ガス穴パーツ挿入開口部２を有する単結晶シリコン基板１を作製し、このガス穴パーツ挿入開口部２にシリコンに比べて消耗の少ない炭化珪素からなりかつ貫通細孔５を有するガス穴パーツ３を矢印１２に示されるように挿入し嵌め込んで図１の断面図に示されるプラズマエッチング用シリコン電極板１０を作製し、このプラズマエッチング用シリコン電極板１０を用いてウエハをエッチングすると、シリコンに比べて消耗の少ない炭化珪素からなるガス穴パーツの貫通細孔５は拡大消耗することが少なく、そのために長時間プラズマエッチングしてもエッチングの均一性が確保されることから、図１に示される単結晶シリコンからなりガス穴パーツ挿入開口部を有する単結晶シリコン基板と、このガス穴パーツ挿入開口部に炭化珪素からなる貫通細孔５を有するガス穴パーツをはめ込んでなる貫通細孔５の消耗の少ないプラズマエッチング用シリコン電極板が新しく提案されている（特許文献１参照）。
特開２００４−７９９５９

前記従来のプラズマエッチング用シリコン電極板は、ガス穴パーツが耐エッチング性に優れた炭化珪素で構成されているために貫通細孔の消耗が少なく、したがって、長時間プラズマエッチングを行っても均一なエッチングを行うことが出来る。しかし、エッチングされる貫通細孔周囲は炭化珪素で構成されているために、炭素が不純物としてウエハに付着し、ウエハが汚染されるという問題点があり、全体が単結晶シリコンからなり長時間使用可能なプラズマエッチング用シリコン電極板が求められていた。

そこで、本発明者等は、かかる観点から、長時間プラズマエッチングを行っても貫通細孔の消耗が少なく、したがって、長時間ウエハの均一なエッチングを行うことができる全体が単結晶シリコンからなるプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板を得るべく研究を行った。その結果、
（イ）単結晶シリコンは結晶方位によってエッチング性が異なり、（１１１）結晶面は（１００）結晶面に比べてエッチングガスによる消耗がすくないことから、結晶方位の＜１１１＞方向が貫通細孔の長さ方向に向いて揃っている単結晶シリコン電極板は、結晶方位の＜１００＞方向が貫通細孔と平行に揃っている従来の単結晶シリコン電極板よりも貫通細孔の消耗が少ない、
（ロ）単結晶シリコン電極基板の板厚方向に結晶方位の＜１１１＞方向が揃っている単結晶シリコン電極基板を作製し、この単結晶シリコン基板に貫通細孔を板厚方向に穿孔して作製したプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板は長時間プラズマエッチングを行っても均一なエッチングを行うことの出来るものの、結晶方位の＜１１１＞方向が板厚方向に平行に揃っている単結晶シリコン基板を通常の結晶方位の＜１００＞方向が単結晶シリコンインゴットの長さ方向に平行な単結晶シリコンインゴットから作製するには切削部分が多くなりすぎて歩留まりが悪く、結晶方位の＜１１１＞方向が板厚方向に平行に揃っている大きな単結晶シリコン電極基板を作製することは困難である、
（ハ）したがって、まず、通常の引き上げにより作製した単結晶シリコンインゴットを長さ方向に対して直角に輪切りにして、結晶方位の＜１００＞方向が板厚方向に対して平行方向に揃っている大きな単結晶シリコン基板を作製したのち、この単結晶シリコン基板にガス穴パーツ挿入開口部を形成して図２に示される単結晶シリコン電極基板１を作製し、
さらに貫通細孔を有しかつ前記貫通細孔の長さ方向に対して平行な方向に結晶方位の＜１１１＞方向が揃っている単結晶シリコンからなるガス穴パーツを作製し、前記ガス穴パーツを前記単結晶シリコン電極基板のガス穴パーツ挿入開口部に、前記ガス穴パーツの貫通細孔が前記単結晶シリコン電極基板の板厚方向に平行になるように嵌め込んでなる図１の断面図に示されるプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板１０を作製し、このプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板１０を用いてウエハをプラズマエッチングすると、消耗の少ない結晶方位の＜１１１＞方向が貫通細孔に平行に揃っている単結晶シリコンからなるガス穴パーツの貫通細孔５はプラズマエッチングにより拡大消耗することが少なく、そのために長時間プラズマエッチングしてもエッチングの均一性が確保される、
（ニ）前記ガス穴パーツは、ガス穴パーツ挿入開口部に嵌め込んで固定しても良いが、交換可能に嵌め込んでもよい、などの知見を得たのである。

この発明は、かかる知見に基づいてなされたものであって、
（１）結晶方位の＜１００＞方向が電極基板の板厚方向に対して平行方向に揃っている単結晶シリコン基板にガス穴パーツ挿入開口部が設けられている単結晶シリコン電極基板と、貫通細孔を有しかつ前記貫通細孔の長さ方向に対して平行方向に結晶方位の＜１１１＞方向が揃っている単結晶シリコンからなるガス穴パーツとからなり、前記ガス穴パーツを前記単結晶シリコン電極基板のガス穴パーツ挿入開口部に、前記ガス穴パーツの貫通細孔が前記単結晶シリコン電極基板の板厚方向に平行になるように嵌め込んでなるプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板、
（２）前記ガス穴パーツは前記単結晶シリコン電極基板のガス穴パーツ挿入開口部に交換可能に嵌め込んでなる前記（１）記載のプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板、に特徴を有するものである。

この発明のプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板を図面に基づいて一層詳細に説明する。
図１は、この発明のプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板の断面説明図であり、図２はその組立て前の断面説明図である。図２において、１は単結晶シリコン電極基板であり、この単結晶シリコン電極基板の板厚方向に平行に＜１００＞結晶方位が揃っている。２はシリコン電極基板に形成されたガス穴パーツ挿入開口部、３はガス穴パーツである。ガス穴パーツ３も単結晶シリコンからなり、このガス穴パーツ３には貫通細孔５が形成されていて、＜１１１＞結晶方位が貫通細孔５の長さ方向に平行に揃っている。
単結晶シリコン電極基板１には、図２に示されるように、ガス穴パーツ挿入開口部２が形成されており、このガス穴パーツ挿入開口部２は大径穴部２１と小径穴部２２からなり、一方、ガス穴パーツ３は大径部３１、小径部３２および貫通細孔５からなっていて、この貫通細孔５を有するガス穴パーツ３を図２の矢印１２の方向にガス穴パーツ挿入開口部２にはめ込むと、ガス穴パーツ３の大径部３１はガス穴パーツ挿入開口部２の大径穴部２１に嵌合し、ガス穴パーツ３の小径部３２はガス穴パーツ挿入開口部２の小径穴部２２に嵌合するようになっており、プラズマエッチング用単結晶シリコン電極板をプラズマエッチング装置に装着した場合に、ガス穴パーツ３が脱落しないようになっている。

ガス穴パーツ３は図１および図２に示されるような大径部および小径部を有する形状に限定されるものではなく、矢印の方向に嵌め込んで固定できる形状構造のものであればいく、例えば、図３に示されるような逆テーパを有する単結晶シリコンからなり貫通細孔５を有するガス穴パーツ３０であっても良く、この逆テーパを有する単結晶シリコンからなり貫通細孔５を有するガス穴パーツ３０は貫通細孔５に平行な方向に＜１１１＞結晶方位が揃っている単結晶シリコンからなるものである。その他の符号は先に図１または２で説明したのと同じであるからその説明は省略する。
このガス穴パーツ３は、通常の引き上げにより得られた単結晶シリコンインゴットを長さ方向に対して斜め方向にスライスして＜１１１＞結晶方位が板厚方向に揃った単結晶シリコンスライス板を作製し、得られたスライス板を切削し、さらに貫通細孔を穿孔することにより作製することができる。
なお、これらガス穴パーツは、いずれも単結晶シリコン電極基板のガス穴パーツ挿入開口部に嵌め込んで固定しても良いが、着脱可能となるように嵌め込んでもよい。

上述のように、この発明のプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板を使用すると、従来よりも長時間均一なプラズマエッチングを行うことができるところから、プラズマエッチングによるプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板の交換回数を大幅に減らすことができ、半導体装置産業の発展に大いに貢献しうるものである。

直径：３００ｍｍの単結晶シリコンインゴットを用意し、このインゴットをダイヤモンドバンドソーにより厚さ：６ｍｍに輪切り切断し、直径：３００ｍｍ、厚さ：６ｍｍを有する寸法の単結晶シリコン基板を作製し、この単結晶シリコン基板に図２に示される直径：４ｍｍの大径穴部２１と直径：２ｍｍの小径穴部２２のからなるガス穴パーツ挿入開口部２を８ｍｍ間隔で形成して単結晶シリコン電極基板を作製した。

さらに、先に用意した直径：３００ｍｍの単結晶シリコンインゴットを長さ方向に対して斜め方向にスライスして＜１１１＞結晶方位が板厚方向に揃った単結晶シリコンスライス板を作製し、得られた単結晶シリコンスライス板を切削し、直径：４ｍｍの大径部３１と直径：２ｍｍの小径部３２を有するガス穴パーツ素材を作製し、このガス穴パーツ素材に直径：０．５ｍｍの貫通細孔５を＜１１１＞結晶方位に平行になるように形成することによりガス穴パーツ３を作製したのち、このガス穴パーツ３を単結晶シリコン電極基板におけるガス穴パーツ挿入開口部２に嵌め込み、本発明プラズマエッチング用単結晶シリコン電極板（以下、本発明電極板という）を作製した。

さらに、先に作製した直径：３００ｍｍ、厚さ：６ｍｍの寸法を有する単結晶シリコン基板に直径：０．５ｍｍの貫通細孔を８ｍｍ間隔で直接形成することにより従来プラズマエッチング用単結晶シリコン電極板（以下、従来電極板という）を作製した。
さらに、予めＣＶＤ法によりＳｉＯ₂ 層を表面に形成したウエハを用意した。

この本発明電極板および従来電極板をそれぞれプラズマエッチング装置にセットし、さらにＳｉＯ₂ 層を形成したウエハをプラズマエッチング装置にセットし、
チャンバー内圧力：１０^-1Ｔｏｒｒ、
エッチングガス組成：９０sccmＣＨＦ₃ ＋４sccmＯ₂ ＋１５０sccmＨｅ、
高周波電力：２ｋＷ、
周波数：２０ｋＨｚ、
の条件で、ウエハ表面のＳｉＯ₂ 層のプラズマエッチングを行ない、エッチング開始から３００時間経過後に本発明電極板および従来電極板を取り出し、本発明電極板および従来電極板のプラズマ側面を電極板の元の厚さの３／４の厚さになるまで本発明電極板および従来電極板をそれぞれ研削し、プラズマ面側の研削面の消耗した貫通細孔の直径を測定し、その平均値を表１に示すことにより本発明電極板および従来電極板に形成されている貫通細孔の耐エッチングガス消耗性を評価した。

表１に示される結果から、本発明電極板の研削面の消耗した貫通細孔の直径は、従来電極板の研削面の消耗した貫通細孔の直径に比べて小さいところから、本発明電極板は従来電極板よりも消耗が少なく、したがって、一層長時間プラズマエッチングを行うことができることがわかる。

この発明のプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板を説明するための断面説明図である。 この発明のプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板の製造方法を説明するための断面説明図である。 この発明のプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板を説明するための断面説明図である。 従来のプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板の使用状態を説明するための一部断面概略説明図である。 従来のプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板の貫通細孔における消耗状態を説明するための断面説明図である。

符号の説明

１ 単結晶シリコン電極基板
２ ガス穴パーツ挿入開口部
２１ 大径穴部
２２ 小径穴部
３ ガス穴パーツ
３０ ガス穴パーツ
４ ウエハ
５ 貫通細孔
６ 架台
７ エッチングガス
８ プラズマ
９ 従来のプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板
１０ この発明のプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板
１１ 単結晶シリコン基板

Claims (2)

1. 結晶方位の＜１００＞方向が電極基板の板厚方向に対して平行方向に揃っている単結晶シリコン基板にガス穴パーツ挿入開口部が設けられている単結晶シリコン電極基板と、貫通細孔を有しかつ前記貫通細孔の長さ方向に対して平行方向に結晶方位の＜１１１＞方向が揃っている単結晶シリコンからなるガス穴パーツとからなり、
   前記ガス穴パーツを前記単結晶シリコン電極基板のガス穴パーツ挿入開口部に、前記ガス穴パーツの貫通細孔が前記単結晶シリコン電極基板の板厚方向に平行になるように嵌め込んでなることを特徴とするプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板。
2. 前記ガス穴パーツは前記単結晶シリコン電極基板のガス穴パーツ挿入開口部に交換可能に嵌め込んでなることを特徴とする請求項１記載のプラズマエッチング用単結晶シリコン電極板。

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